Правка разделов «Условие», «Решение», «Ответ»

Pandemotor правка от
правка #13008 предыдущая #13007 ← раньше позже →
@@ -1,44 +1,67 @@
### Условие
−$3.5.21.$ [Вставьте описание задачи]
+$3.5.21.$ а. Добротностью осциллятора называют отношение его начальной энергии к энергии, потерянной им за время изменения фазы на 1 рад. Выразите добротность через коэффициент затухания $\gamma$ и частоту свободных колебаний $\omega_{0}$ $(\gamma \ll \omega_{0})$. Как связана добротностью $Q$ с числом колебаний, за которое энергия осциллятора уменьшится в $e$ раз?
−__Пример условия__:
−$1.1.1.$ Определите координату $x(t)$ тела как функцию времени $t$, если его ускорение задано как $a(t) = bt$, где $b$ - константа.
+б. У монокристалла сапфира в вакууме при низкой температуре и соответствующей подвеске добротность $Q = 10^8 - 10^9$. Частота колебаний монокристалла $\omega_{0} = 10^4 c^{-1}$. Оцените, во сколько раз изменится амплитуда колебаний кристалла за сутки.
+
+
### Решение
−[Здесь должно быть ваше решение]
+a.
−__Пример решения__:
−Ускорение тела задано как
+ Зависимость амплитуды от времени (получена в 3.5.19) выглядит следующим образом:
−$$a(t) = bt$$
+$$A(t) = A_{0} e^{-\gamma t}$$
−Мы знаем, что ускорение - это производная скорости по времени:
+Энергия пропорциональна квадрату амплитуды, потому:
−$$a(t) = \frac{d v(t)}{d t}$$
+$$E(t) = \frac{m \omega_{0}^2 A_{0}^2}{2} e^{-2 \gamma t}$$
−Чтобы найти скорость $v(t)$, интегрируем $a(t)$ по времени:
+$$E(t+\tau) = \frac{m \omega_{0}^2 A_{0}^2}{2} e^{-2 \gamma (t+\tau)}$$
−$$v(t) = \int a(t) \, dt = \int b t \, dt$$
+Найдем отношение энергий:
−Если начальная скорость $v(0) = 0$, то скорость становится:
+$$\frac{E(t)}{E(t+\tau)} = e^{2 \gamma \tau}$$
−$$v(t) = \frac{b t^2}{2}$$
+Время $\tau$ выбрано так, чтобы осциллятор прошел один радиан, т.е.:
−Аналогично, интегрируем $v(t)$ по времени:
+$$\tau = \frac{1}{\omega_{0}}$$
−$$x(t)= \int v(t) \, dt = \frac{b}{2} \int t^2 \, dt$$
+Поскольку $\gamma \ll \omega_{0}$, аргумент экспоненты весьма мал, потому мы вправе воспользоваться приближенной формулой $e^x \approx 1 + x, |x|\ll1$:
−Откуда координата от времени, учитывая начальные условия:
+$$\frac{E(t)}{E(t+\tau)} = 1 + \frac{2 \gamma}{\omega_{0}}$$
−$$\boxed{x(t)=\frac{bt^3}{6}}$$
+Вспомним также, что определение добротности требует от нас отношение потерь энергии к начальной энергии, потому запишем $E(t+\tau) = E(t) - \Delta E$, причем величина $\Delta E$ достаточно мала по сравнению с $E(t)$:
+$$\frac{E(t)}{E(t) - \Delta E} = 1 + 2\gamma \tau$$
+
+Для левой части используем приближение, справедливое при малых $x$, а именно $(1+x)^\alpha \approx 1 + \alpha x$ для любых $\alpha$:
+
+$$1+ \frac{\Delta E}{E(t)} = 1 + \frac{2 \gamma}{\omega_{0}}$$
+
+По определению добротности:
+
+$$Q = \frac{E}{\Delta E} = \frac{\omega_{0}}{2 \gamma}$$
+
+Величина $\gamma$ есть ни что иное, как обратное время, необходимое, чтобы амплитуда осциллятора уменьшилась в $e$ раз.
+
+б.
+
+Из определения добротности:
+
+$$\gamma = \frac{\omega_{0}}{2Q}$$
+
+$$A(t) = A_{0} e^{-\gamma t} = A_{0} e^{ - \frac{\omega_{0}}{2Q} t}$$
+
+Тогда за время $T$ амплитуда упадет в $n = e^{\frac{\omega_{0}}{2Q} T}$ раз. Для ответа на поставленный вопрос возьмем $T = 86400c$
+
+
#### Ответ
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке, например:]
+a. $Q = \frac{\omega_{0}}{2 \gamma}$
−__Пример ответа__:
−$$ x(t)=\frac{bt^3}{6} $$
+б. В $50$ раз при $Q = 10^8$ и в $1,5$ раза при $Q = 10^9$
+